Ein Cobalt(II)-Porphyrin mit angebundenem Imidazol für eine effiziente Sauerstoffreduktion und Elektrokatalyse in der Evolution

Kürzlich veröffentlichten Rui Cao und Weiqiang Zhang von der Shaanxi Normal University, Shunichi Fukuzumi und Wonwoo Nam von der Ewha Womans University und andere einen Brief mit dem Titel „Ein Kobalt(II)-Porphyrin mit einem angebundenen Imidazol für eine effiziente Sauerstoffreduktion und elektrokatalytische Evolution“ in der Zeitschrift für Energiechemie.

Elektrokatalytische Sauerstoffreduktions- und -entwicklungsreaktionen werden in verschiedenen Brennstoffzellen, Metall-Luft-Batterien und Wasserspaltungsgeräten eingesetzt. Die großtechnische Verwendung von Edelmetallen und ihren Komplexen in industriellen Anwendungen ist durch ihr geringes Vorkommen auf der Erde und ihre hohen Kosten begrenzt. Allerdings wurden kürzlich mehrere Übergangsmetallkomplexe der ersten Reihe als aktive Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) identifiziert. Dennoch sind nur wenige dieser Katalysatoren unter den gleichen Bedingungen sowohl für die ORR als auch für die OER effizient, was für ihre Verwendung in wiederaufladbaren Metall-Luft-Batterien entscheidend ist.

Co-Porphyrine wurden auch umfassend als Katalysatoren für die O2-Reduktion untersucht. Neben der ORR haben sich auch Co‐Porphyrine als effiziente OER‐Elektrokatalysatoren erwiesen. Trotz dieser Errungenschaften ist die Entwicklung von Co-Porphyrinen mit hoher Aktivität und Stabilität sowohl für die elektrokatalytische Sauerstoffreduktion als auch für Evolutionsreaktionen unter denselben Bedingungen weiterhin erforderlich.

Im Cytochrom c Oxidasen (CcOs) katalysieren Fe-Porphyrine mit einer axialen Histidinimidazolgruppe die selektive Reduktion von O2 zu Wasser. Die axiale Imidazolgruppe erhöht die Elektronendichte des Fe und verstärkt dadurch die O2-Bindung und -Aktivierung am Fe-Zentrum durch einen elektronischen „Push-Effekt“ (Abb. 1a).

Inspiriert von der Natur berichten die Autoren über ein Co-Porphyrin, 1, mit einer an das Porphyringerüst angehängten Imidazolgruppe für die axiale Co-Bindung als aktiver bifunktioneller Elektrokatalysator für die Sauerstoffreduktions- und -entwicklungsreaktionen (Abb. 1b). Zusätzlich, 1 wurde als Katalysator der Luftelektrode verwendet, die zum Zusammenbau von Zn-Luft-Batterien verwendet wurde.

Die resultierenden Zn-Luft-Batterien zeigten eine vergleichbare Leistung wie solche, die unter Verwendung kommerzieller Pt/C- und Ir/C-Materialien hergestellt wurden. Diese Arbeit unterstreicht die wichtige Rolle axialer Liganden bei der Verbesserung der ORR und OER und zeigt die potenziellen Anwendungen molekularer Katalysatoren in elektrokatalysebasierten Energieumwandlungs- und Speichertechnologien auf.